微生物代谢调节和代谢工程新.ppt

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1、微生物的代谢调节和代谢工程,微生物的生长过程中机体内的复杂代谢过程是相互协调和高度有序的，并对外环境的改变能迅速作出适应反应。我们的目的：让微生物建立新的代谢方式，高浓度的积累人们所期望的产品。,代谢调节代谢工程,代谢调节,1、微生物的代谢类型和自我调节2、酶活性调节3、酶合成调节4、分支生物合成途径调节5、能荷调节6、代谢调控（人为）7、次级代谢与次级代谢调节,微生物的自我调节,微生物体内物质的合成和降解是由其自我调控的。在单一有机化合物碳源的培养基中，大分子合成途径中各个环节配合的很好，效率高。存在多种不同的碳源时，细胞会优先吸收某一碳源，在体内合成大量与代谢相关的酶类。,分解途径,合成代

2、谢,葡萄糖合成,培养基中葡萄糖,培养基中甘露糖,抑制？阻遏？,自我调节的部位,膜系统的选择性吸收。核内相关基因的调控表达。酶系在细胞基质内被分隔。,酶活性的调节,调节的是已有酶的活性，是在酶化学水平上发生的调节。包括酶活性的激活和抑制两个方面。,酶合成的调节,调节的是酶分子的合成量，是在遗传水平上发生的调节包括酶合成的诱导和阻遏,二种水平上的重要的两种方式：反馈抑制和反馈阻遏,酶活性调节,酶的激活作用酶的抑制作用,酶活性的调节机制别构调节（变构调节）,别构效应：底物或底物以外的物质和别构酶分子上的相应部位可逆地非共价结合后，通过酶分子构象的变化影响酶的催化活性，这种效应称为别构效应 别构效应剂

3、：引起别构效应的物质称为效应物 别构激活剂：凡是和酶分子结合后使酶反应速度加快的别构效应剂就称为别构激活剂（正效应剂）别构抑制剂：（负效应剂）,别构酶：具有别构效应的酶称之为别构酶 别构酶通常能对反应起调节作用，是调节酶的一种。,别构酶举例大肠杆菌（E.coli）天冬氨酸转氨甲酰酶（简称ATCase）,ATCase有二个底物和CTP、ATP二个别构效应剂Asp、ATP是别构激活剂，CTP是别构抑制剂,ATCase（天冬氨酸转氨甲酰酶）,ATCase的相对分子质量是310 000，由12条多肽链组成每个调节亚基上有两个别构效应剂（CTP、ATP）的结合部位,完整有活性的酶,催化亚基（三聚体）,调

4、节亚基（二聚体）,酶合成的调节,诱导和阻遏 诱导：某种化合物作用下，导致某种酶合成或合成速率提高的现象。阻遏：某种化合物作用下，导致某种酶合成停止或合成速率降低的现象。,酶合成的诱导作用,组成酶：不依赖于酶底物或底物的结构类似物的存在二合成的酶。诱导酶：依赖于某种底物或底物的结构类似物的存在而合成的酶。,酶合成的阻遏,酶合成的阻遏：在微生物代谢中，胞内某种产物的积累造成该产物合成途径中前面某种酶的合成受到阻碍。末端产物阻遏：如果代谢产物是合成途径的终产物，则为末端产物阻遏。分解代谢产物阻遏：如果代谢产物是某种化合物分解的中间产物，则为分解代谢产物阻遏。葡萄糖效应,酶合成的机制,乳糖操纵子模型诱

5、导和阻遏,分支生物合成途径的调节,同工酶调节协同反馈抑制 增效（合作）反馈抑制 累积反馈抑制顺序反馈抑制联合激活或抑制调节酶的共价修饰,AK：天冬氨酸激酶；HSDH：天冬氨酸脱氢酶,分支生物合成途径的调节,同工酶：E.coli 天冬氨酸族氨基酸合成，天冬氨酸激酶I、II、III。协同反馈调节：一种酶受到反馈调节，但需要一种以上终产物过量累加反馈调节：多个末端产物抑制第一个酶，单独只能部分抑制或阻遏，总的效果是累加的增效反馈调节：多个末端产物抑制第一个酶，多个末端产物抑制第一个酶，单独只能部分抑制或阻遏，总的效果是增效的,分支生物合成途径的调节,顺序反馈调节：依次反馈调节联合激活或抑制调节：一种

6、生物合成的中间产物参与两个完全独立的、不交叉的合成途径的控制。这种中间体物质浓度的变化会影响这两个独立代谢途径的代谢效率。如：肠细菌氨甲酰磷酸合成酶的联合激活和抑制调节,分支生物合成途径的调节,酶的共价修饰 大肠杆菌谷胺酰胺合成酶 由于共价修饰引起活力的改变 有无腺苷酰基,中间产物,U,V,W,末端产物,t,u,v,w,反馈抑制,末端产物直线式抑制,A,B,C,D,E,F,G,H,a,b,c,同工酶调节,能荷代谢,能荷：细胞中ATP、ADP、AMP系统中可为代谢反应功能的高能磷酸键的量度。表示式：P64（35）大肠杆菌的能荷在生长期间为0.8，静止期为0.5。,代谢调控,在人为条件的控制下，可

7、以使微生物过量产生各级初级代谢产物和次级代谢产物。一般可以根据代谢调节理论，通过改变发酵工艺条件如pH、温度、通气量、培养基的组成和微生物遗传特性等，达到改变菌体内的代 谢平衡，过量产生所需要产物的目的。,代谢调控发酵条件的控制改变细胞的透性菌种遗传特性的改变,在生产中，如果发酵的条件不同，可能生成的主要产物也不同。控制不同的发酵条件，影响微生物的代谢调节系统，使其体内代谢按人们设想的方向进行。,(一）发酵条件的控制,1.以谷氨酸生产工艺为例 各种发酵条件改变的影响,工业化生产开始于由水解小麦面筋或大豆蛋白质而制取。1957年，日本率先采用微生物发酵法生产，并投入大规模工业化生产，这是被誉为现

8、代发酵工业的重大创举，使发酵工业进入调节代谢的调控阶段。,产生菌株特点：革兰氏阳性不形成芽胞没有鞭毛，不能运动需要生物素作为生长因子在通气条件下才能产生谷氨酸。,谷氨酸生物合成机理：由三羧酸循环中产生的-酮戊二酸，在谷氨酸脱氢酶和氢供体存在下进行还原性氨化作用而得到。,Production Process of L-Glutamic acid,Sketch of main reaction in Corynebacterium glutamicumConnected with the citric acid cycly,不通发酵条件对谷氨酸产生菌代谢方向的影响,发酵条件 代谢方向,通气 乳酸或

9、琥珀酸 谷氨酸NH4+a-酮戊二酸 谷氨酸 谷氨酰胺生物素 乳酸或琥珀酸 谷氨酸,适量,适量,适量,不足,不足,不足,不足,适量,2添加生物合成的前体,合成途径中增加其中一个前体的量，可以大幅度提高发酵产量。,前体：某些化合物在加入培养基后，能够直接在生物合成过程中结合到产物分子中去，而自身的结构并未发生太大变化，这类小分子物质称为前体。,PEP,色氨酸合成途径,邻氨基苯甲酸,色氨酸,邻氨基苯甲酸,反馈抑制,3-脱氧-2-酮-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-P,4-P-赤藓糖,3、其他条件的控制使用诱导物-生产相关酶类时，可以加入相应的底物作为诱导物，可以有效增加这些酶的产量。培养基成分和浓度的控制-

10、尽量避免由于培养基的不当使用引起的分解代谢阻遏。在发酵培养基中通常采用适量的速效和迟效碳源、氮源的配比。,（二）改变细胞透性,发酵过程中，可以控制使用那些影响细胞膜通透性的物质作为培养基的成分，有利于代谢产物分泌出来，从而避免了末端产物的反馈抑制调节。,1.通过生理学手段控制细胞膜渗透性,2.通过细胞膜缺损突变控制细胞膜渗透性,（三）菌种遗传特性的改变,改变微生物的遗传特性，即改变酶的活性或酶的合成系统，使之对反馈调节不敏感，达到过量生产代谢产物的目的。用于这样生产的菌株多为抗反馈调节突变株和营养缺陷型菌株。,应用抗反馈调节突变株解除反馈调节,抗反馈调节突变株：对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性或

11、兼而有之的菌株。,反馈抑制或阻遏或两者解除。,分解途径,合成代谢,苏氨酸合成,培养基中苏氨酸类似物,抑制或阻遏解除,利用营养缺陷型突变株生产的氨基酸,产物 菌株 营养缺陷型 基质 效价（g/L）,L-瓜氨酸 枯草杆菌 精氨酸 葡萄糖 16L-赖氨酸 谷氨酸棒状杆菌 苏氨酸，蛋氨酸 葡萄糖 50L-尿氨酸 谷氨酸棒状杆菌 精氨酸 葡萄糖 25L-苯丙氨酸 石蜡棒状杆菌 酪氨酸 正烷烃 15L-苏氨酸 大肠杆菌 Lys,Met,ILe 葡萄糖 20,工业上利用抗反馈调节突变株生产的氨基酸,产物 菌株 所抗结构类似物,L-精氨酸 谷氨酸棒状杆菌 D-精氨酸L-组氨酸 谷氨酸棒状杆菌 三唑丙氨酸L-异

12、亮氨酸 短杆菌-氨基-羟基戊酸L-苏氨酸 短杆菌-氨基-羟基戊酸,次级代谢与次级代谢调节,初级代谢和次级代谢次级代谢的调节类型,（一）初级代谢和次级代谢初级代谢：普遍存在于生物中的代谢类型，微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。初级代谢产物：单糖、核苷酸、脂肪酸等单体，以及由他们组成的各种大分子聚合物如蛋白质、核酸等，是有机体生存必不可少的物质。,次级代谢：某些微生物为了避免代谢过程中，某种代谢产物的积累造成的不利作用，而产生的一类有利于生存的代谢类型。次级代谢产物：在次级代谢途径中合成的产物，不是微生物生长所必需的，种类

13、很多，如氨基糖衍生物等。,次级代谢不同于初级代谢。初级代谢自始至终贯穿于细胞的生活周期中，对外界环境变化敏感性小，其合成酶专一性强。而次级代谢仅在细胞体生长的某个阶段产生，对外界环境变化敏感，合成酶专一性不强。,现代抗生素的定义:由某些微生物产生的化学物质,能抑制微生物和其他细胞增殖的物质叫做抗生素。,（二）次级代谢的调节类型总体类型包括：酶的合成诱导和阻遏 酶活性的激活和抑制细分类型包括：氮分解产物调节、碳分解 产物调节和磷酸盐调节等等。,反馈调节1、次级代谢产物的自身反馈调节，包括反馈抑制和反馈阻遏。,2、分解代谢产物调节 碳的分解产物和氮的分解产物反馈调节作用存在于次级代谢中。如葡萄糖抑

14、制发酵中青霉素、春日霉素、吲哚霉素、放线菌素等抗生素的合成。链霉素产生菌培养中，铵盐作唯一氮源时，可对链霉素合成产生抑制作用。,3、初级代谢产物的调节 3.1 初级代谢产物和次级代谢产物的合成之间有一条共同的合成途径，当初级代谢产物积累时，反馈抑制了某一步反应的进行，而最终抑制了次级代谢产物的合成。,-酮戊二酸,青霉素合成途径调节,高柠檬酸合成酶,-腺苷酸-氨基己二酸,-o氨基己二酸,反馈抑制,高柠檬酸,乙酰CoA,青霉素G,-（-氨基己二酸酰）-L-半胱氨酸,赖氨酸,反馈阻遏,3.2初级代谢产物直接参与次级代谢产物的生物合成，当初级代谢产物积累，反馈抑制自身的合成，同时也影响了次级代谢产物的

15、合成。,4磷酸盐的调节,磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分，还是调节抗生素生物合成的重要参数。其机制按效应剂说有直接作用，即磷酸盐自身影响抗生素合成，可能通过抑制相关酶的活性。间接作用，即磷酸盐调节胞内其他效应剂(如ATP、腺苷酸能量负荷和cAMP)，进而影响抗生素合成。已发现过量磷酸盐对四环素、氨基糖苷类和多烯大环内酯等32种抗生素的合成产生阻抑作用。,利用基因工程技术，定向改造细胞代谢途径，并与基因调控、代谢调控相结合，构建新的代谢途径 包括三种代谢工程设计方法：改变代谢途径 扩展代谢途径 构建新的代谢途径,代谢工程概述,A,C,B,D,F,加速,代谢旁路,缺失,E,扩展途径,G,新

16、途径,H,三种方法的简易图示,（一）改变代谢途径 改变分支代谢途径的流向，阻断其他代谢途径的合成，提高目的产物。,1.加速限速反应（以头孢霉素C为例）青霉素N是头胞霉素合成的中间体用顶头孢发酵时发现青霉素N的积累下一步酶反应是头胞霉素合成的限速步骤乙酰氧基头胞霉素C合成酶克隆了这个酶的基因（cefEF），并转化到顶头孢中转化子头胞霉素C产量提高了,A,C,B,加速,2.改变分支代谢流向 提高代谢分支点的某一代谢途径酶系的活性，在与另外的分支代谢途径的竞争中占优势 在lys合成中，选育出解除了反馈抑制和缺失高丝氨酸脱氢酶的突变株，提高了lys产量,A,B,D,缺失,3.构建代谢旁路 大肠杆菌糖代

17、谢的末端产物乙酸达到一定浓度时会对细胞的生长产生抑制作用 将枯草杆菌乙酰乳酸合成酶基因克隆到大肠杆菌，使大肠杆菌中乙酸浓度保持在不引起细胞中毒的浓度以下,A,C,B,F,代谢旁路,（二）扩展代谢途径在引入外源基因后，使原来的代谢途径向后延伸，产生新的代谢产物使原来的代谢途径向前延伸，可以利用新的原料合成代谢产物,A,B,D,E,E,酿酒酵母不能直接利用淀粉产生乙醇将淀粉酶基因克隆转化后，表达效率很低用巴斯德毕氏酵母抗乙醇阻遏的醇氧化酶基因启动子表达淀粉酶基因，效率较高,（三）转移或构建新的代谢途径克隆少数基因，使原来无关连的两条代谢途径联系起来，形成新的途径，合成新的产物将催化某一代谢途径的基

18、因组克隆到另一微生物中，使之发生代谢转移，产生目的产物,1.转移代谢途径 真氧产碱菌（Alcaligenes eutrophus）可产生聚羟基丁酸（PHB）和聚羟基烷酸（PHA）将A.eutrophus PHB多聚酶、硫解酶和还原酶基因在内的 PHB 操纵子一起克隆到大肠杆菌中,A,B,D,G,新途径,H,2.构建新的代谢途径 将质粒定向插入Saccharopolyspora eryfhraea的编码红霉素合成途径中第一个酶 reyF 基因中 使该菌合成一种新的抗生素 6-脱氧合霉素A 在胃中低 pH 中比合霉素稳定,作业：如何区分酶合成调节和酶活性调节。,中间体：是指养分或基质进入一途径后被转化为一种或多种不同的物质，它们均被进一步代谢，最终获得该途径的终产物。前体与中间体：有时它们指同一物质。,